CN115219695A - 一种土壤温度水分电导率三合一传感器测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤温度水分电导率三合一传感器测量方法，本传感器能够同时测量土壤温度、水分和电导率，可长期埋入土壤中使用，耐长期电解，耐腐蚀，抽真空灌封，完全防水，采用485接口和标准Modbus‑RTU协议，数据响应快速，设有模拟开关电路，通过高频模拟开关来选择探针连接到哪个测量单元上，并且让空闲的探针与电路断开连接，避免各测量单元之间相互干扰。适用于土壤墒情监测、科学试验、节水灌溉、温室大棚、花卉蔬菜等场合，本发明的目的在于提供一直土壤温度、水分和电导率传感器及测量方法，解决现有测量方法存在技术手段复杂、成本高、测量时间长的问题。
Description
技术领域
本发明属于土壤环境监测技术领域，具体为一种土壤温度水分电导率三合一传感器及测量方法。
背景技术
在农业生产过程中，土壤温度、水分和电导率是影响作物生长的三个重要参数，检测土壤温度、水分和电导率对于提高生产效率十分重要。
测量土壤温度目前主要采用热敏电阻和铂电阻，铂电阻的测量精度较高，但是测量电路较复杂且成本也较高。
土壤水分的测量方法目前主要有烘干法、射线法、介电特性法、核磁共振法、近红外光谱分析法和遥感法等。介电特性法是利用土壤的介电特性进行间接测量的，能实现土壤水分的快速无损测量，按其测量原理又可分为时域反射法（TDR）、频域反射法（FDR）、驻波率法（SWR）和电容法。
土壤电导率的测量方法目前一般分为两种：接触式测量和非接触式测量。其中非接触式测量一般采用电磁感应原理来实现电导率的测量。接触式测量按其原理可大致分为两大类，一类是基于时域反射原理（TDR）的测量方法，另一类是“电流-电压”法。
现有的土壤温度、水分和电导率测量方法存在技术手段复杂、成本高、测量时间长的问题，不便于在农业种植中推广使用。且现有的方法大多只能针对单一的参数使用对应的仪器进行测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土壤温度水分电导率三合一传感器及测量方法，具有结构简单、体积小的特点，方便埋入土壤中使用，解决现有测量方法存在技术手段复杂、成本高、测量时间长的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明的目的在于提供一种土壤温度水分电导率三合一传感器及测量方法，包括MCU单元、温度测量单元、水分测量单元、电导率测量单元和RS485通讯电路单元，所述MCU与温度测量单元、水分测量单元与电导率测量单元都有连接，一方面是MCU单元向各测量单元发送控制信号，另一方面是MCU通过ADC接口采集各测量单元的输出电压，MUC与RS485通讯电路通过串口相连，通过RS485通讯电路与其他设备通讯。
所述传感器为平行三探针结构，探针1和2作为电导率传感器的两个电极，其中探针1又作为温度探针,探针2和3作为土壤水分传感器的两个电极，电导率传感器和水分传感器分时复用探针2,通过高频模拟开关来选择电极连接到哪个测量单元上。
所述温度测量单元采用热敏电阻NTC10K感知温度，热敏电阻放置于其中一根空心探针的内部,探针具有良好的导热性，因此热敏电阻可以感知外界的温度，在测量电路中，将一个精密电阻与热敏电阻串联，通过测量热敏电阻的分压，可以推算出环境的温度。
所述水分测量单元包括高频方波发生器、精密电阻、探针电极和真有效值检测电路，高频方波发生器产生100MHz高频方波加在由精密电阻和探针的等效电容组成的一阶RC电路上，进行周期性地充放电，同时等效电容上会出现相应的周期性波形信号，然后利用真有效值检测器对此波形信号进行真有效值转换，以等效的直流电压输出。
所述电导率测量单元包括双极性脉冲发生电路、电导池、反向比例运放电路和全波整流电路,探针电极插入土壤中，构成一个电导池,将电导池看做是一个纯电阻R，电阻R作为反向比例运放的反向输入端电阻,双极性脉冲施加到电阻R上，反向比例运放将输入信号按比例关系放大或衰减后输出。全波整流电路的作用是对反向运放的输出电压进行整流，便于ADC采集电压,温度测量单元、水分测量单元和电导率测量单元共用3根不锈钢探针,探针1和2作为电导率测量单元的两个电极，其中探针1又作为温度探针,探针2和3作为土壤水分测量单元的两个电极，电导率测量单元和水分测量单元分时复用探针2。通过模拟开关来选择每根探针电极连接到哪个测量单元，并且让空闲的探针与电路断开连接，避免各测量单元之间相互干扰。
优选的，能够同时测量土壤温度、水分和电导率三个参数。
优选的，结构简单、体积小的特点，平行三探针结构，方便埋入土壤中使用。
优选的，完全密封，耐酸碱腐蚀，可埋入土壤或直接投入水中进行长期动态检测。
优选的，基于土壤的介电特性，采用高频电容法测量土壤水分。
优选的，双极性脉冲法测量电导率，有效减小极化效应对测量结果的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
该传感器能够同时测量土壤温度、水分和电导率三个参数，所使用的测量方法成本低、测量快速、技术手段简单，也保证了测量精度，具有结构简单、体积小的特点，方便埋入土壤中使用。
附图说明
附图1为本发明一种土壤温度水分和电导率三合一传感器电路图；
附图2为本发明一种土壤温度水分和电导率三合一传感器示意图；
附图3为本发明一种土壤温度水分和电导率三合一传感器参数图；
附图4为本发明一种土壤温度水分和电导率三合一传感器总线接线原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的目的在于提供一种土壤温度水分电导率三合一传感器及测量方法，包括MCU单元、温度测量单元、水分测量单元、电导率测量单元和RS485通讯电路单元，所述MCU与温度测量单元、水分测量单元与电导率测量单元都有连接，一方面是MCU单元向各测量单元发送控制信号，另一方面是MCU通过ADC接口采集各测量单元的输出电压，MUC与RS485通讯电路通过串口相连，通过RS485通讯电路与其他设备通讯。
所述传感器为平行三探针结构，探针1和2作为电导率传感器的两个电极，其中探针1又作为温度探针，探针2和3作为土壤水分传感器的两个电极，电导率传感器和水分传感器分时复用探针2，通过高频模拟开关来选择电极连接到哪个测量单元上。
所述温度测量单元采用热敏电阻NTC10K感知温度，热敏电阻放置于其中一根空心探针的内部，探针具有良好的导热性，因此热敏电阻可以感知外界的温度，在测量电路中，将一个精密电阻与热敏电阻串联，通过测量热敏电阻的分压，可以推算出环境的温度。
所述水分测量单元包括高频方波发生器、精密电阻、探针电极和真有效值检测电路，高频方波发生器产生100MHz高频方波加在由精密电阻和探针的等效电容组成的一阶RC电路上，进行周期性地充放电，同时等效电容上会出现相应的周期性波形信号，然后利用真有效值检测器对此波形信号进行真有效值转换，以等效的直流电压输出。
所述电导率测量单元包括双极性脉冲发生电路、电导池、反向比例运放电路和全波整流电路。探针电极插入土壤中，构成一个电导池，将电导池看做是一个纯电阻R，电阻R作为反向比例运放的反向输入端电阻，双极性脉冲施加到电阻R上，反向比例运放将输入信号按比例关系放大或衰减后输出，全波整流电路的作用是对反向运放的输出电压进行整流，便于ADC采集电压。
所述温度测量单元、水分测量单元和电导率测量单元共用3根不锈钢探针，探针1和2作为电导率测量单元的两个电极，其中探针1又作为温度探针，探针2和3作为土壤水分测量单元的两个电极，电导率测量单元和水分测量单元分时复用探针2，通过模拟开关来选择每根探针电极连接到哪个测量单元。
具体的，MUC通过ADC接口采集温度测量单元的输出电压，根据电压可以计算出热敏电阻的阻值，再从热敏电阻NTC10K的“电阻-温度”对照表中查找出环境的温度，切换模拟开关的状态，将电导率探针连接到电导率测量单元，其余探针与电路断开连接，避免各测量单元之间相互干扰。MUC控制双极性脉冲发生电路产生正脉冲，同时启动ADC采集，延时1ms，然后产生负脉冲，启动ADC采集，延时1ms后关闭脉冲输出。双极性脉冲负向电压的作用是中和极化电荷，降低极化效应对测量结果的影响。将两次采集到的电压求平均值，根据以下2个公式计算出土壤电导率。
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式中，Rf为反向比例运放的反馈电阻，R为电导池电阻，Uo为反向比例运放的输出电压，Ui为反向比例运放的输入电压。
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式中，kt为温度为t时的电导率，K为电极常数。
根据温度对土壤电导率影响的规律，使用下面公式将电导率测量值折算成25℃时的电导率。
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式中，k25℃是25℃的电导率，α是温度补偿系数，t是土壤实际温度。
再次切换模拟开关电路的状态，将水分探针连接到水分测量单元，其余探针与电路断开连接，避免各测量单元之间相互干扰，MUC使能高频方波发生器，以产生高频方波脉冲，同时MCU通过ADC采集水分测量单元的输出电压，当土壤的含水量不同时，其介电常数发生变化，从而探针的等效电容也随之变化，导致探针等效电容上的充放电曲线发生变化，即探针上的周期性波形发生变化，最终使水分测量单元输出的电压发生改变，根据“土壤含水率-电压”标定曲线，推算出此时的土壤含水率。
工作原理：一种土壤温度水分电导率三合一传感器及测量方法，选定合适的测量地点，避开石块，确保钢针不会碰到坚硬的物体，按照所需测量深度抛开表层土，保持下面土壤原有的松紧程度，紧握传感器垂直插入土壤，插入时不可左右晃动，一个测点的小范围内建议多次测量求平均值，垂直挖直径>20cm 的坑，在既定的深度将传感器钢针水平插入坑壁，将坑填埋严实，稳定一段时间后，即可进行连续数天，数月乃至更长时间的测量和记录，宽电压电源输入 9-24V 均可，485 信号线接线时注意A/B 两条线不能接反，总线上多台设备的地址不能冲突，设备可以直接连接带有 485 接口的 PLC，也可以通过485 接口芯片连接单片机，或者使用USB 转 485 模块与电脑连接，通过指定的 modbus 协议可与设备进行通信。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种土壤温度水分电导率三合一传感器测量方法，包括MCU单元、温度测量单元、水分测量单元、电导率测量单元和RS485通讯电路单元，其特征在于：所述MCU与温度测量单元、水分测量单元与电导率测量单元都有连接，一方面是MCU单元向各测量单元发送控制信号，另一方面是MCU通过ADC接口采集各测量单元的输出电压，MUC与RS485通讯电路通过串口相连，通过RS485通讯电路与其他设备通讯；
所述传感器为平行三探针结构，探针1和2作为电导率传感器的两个电极，其中探针1又作为温度探针,探针2和3作为土壤水分传感器的两个电极，电导率传感器和水分传感器分时复用探针2；
通过高频模拟开关来选择探针连接到哪个测量单元上，并且让空闲的探针与电路断开连接，避免各测量单元之间相互干扰；
所述温度测量单元采用热敏电阻NTC10K感知温度，热敏电阻放置于其中一根空心探针的内部,探针具有良好的导热性，因此热敏电阻可以感知外界的温度，在测量电路中，将一个精密电阻与热敏电阻串联，通过测量热敏电阻的分压，可以推算出环境的温度；
所述水分测量单元包括高频方波发生器、精密电阻、探针电极和真有效值检测电路，高频方波发生器产生100MHz高频方波加在由精密电阻和探针的等效电容组成的一阶 RC电路上，进行周期性地充放电，同时等效电容上会出现相应的周期性波形信号，然后利用真有效值检测器对此波形信号进行真有效值转换，以等效的直流电压输出；
所述电导率测量单元包括双极性脉冲发生电路、电导池、反向比例运放电路和全波整流电路,探针电极插入土壤中，构成一个电导池,将电导池看做是一个纯电阻R，电阻R作为反向比例运放的反向输入端电阻,双极性脉冲施加到电阻R上，反向比例运放将输入信号按比例关系放大或衰减后输出；全波整流电路的作用是对反向运放的输出电压进行整流，便于ADC采集电压。
2.根据权利要求书1所述一种土壤温度水分电导率三合一传感器测量方法，其特征在于：能够同时测量土壤温度、水分和电导率三个参数。
3.根据权利要求书1所述一种土壤温度水分电导率三合一传感器测量方法，其特征在于：结构简单、体积小的特点，平行三探针结构，方便埋入土壤中使用。
4.根据权利要求书1所述一种土壤温度水分电导率三合一传感器测量方法，其特征在于：完全密封，耐酸碱腐蚀，可埋入土壤或直接投入水中进行长期动态检测。
5.根据权利要求书1所述一种土壤温度水分电导率三合一传感器测量方法，其特征在于：基于土壤的介电特性，采用高频电容法测量土壤水分。
6.根据权利要求书1所述一种土壤温度水分电导率三合一传感器测量方法，其特征在于：双极性脉冲法测量电导率，有效减小极化效应对测量结果的影响。
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| CN117347592A (zh) * | 2023-10-24 | 2024-01-05 | 福建天成宝得智能科技有限公司 | 一种土壤湿度检测装置及系统 |
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2022
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